河北省鋼鐵行業(yè)綠色低碳技術(shù)發(fā)展的路徑

馬秀琴 ，林 虹 ，郭忠蓮 ，張旭升 ，曾亞軍

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.天津排放權(quán)交易所有限公司，天津 300450）

0 引言

鋼鐵行業(yè)是河北省的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，2021年河北省民營(yíng)企業(yè)100 強(qiáng)名單中，有39 家來自鋼鐵行業(yè)，占比超過三分之一，河北省粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)21年位居全國(guó)第一[1]。2021 年河北省粗鋼產(chǎn)量同比減少9.93%，占全國(guó)粗鋼產(chǎn)量的21.73%，雖然2021 年國(guó)內(nèi)粗鋼產(chǎn)量近6 年以來首次出現(xiàn)同比減少，但在壓減鋼鐵產(chǎn)量、能耗雙控、京津冀鋼鐵行業(yè)錯(cuò)峰生產(chǎn)等多項(xiàng)政策措施聯(lián)動(dòng)約束下，從壓減絕對(duì)數(shù)量來看，河北省粗鋼壓減量最多，達(dá)到2480.5 萬t，占全國(guó)粗鋼壓減量的77.57%，超額完成壓減任務(wù)，因此，全國(guó)粗鋼產(chǎn)量占比降幅也較大[2]。河北省2018—2021 年粗鋼產(chǎn)量及全國(guó)占比如圖1 所示。

圖1 河北省2018—2021 年粗鋼產(chǎn)量及全國(guó)占比

鋼鐵行業(yè)是河北省制造業(yè)中能源消耗量和碳排放量最大的行業(yè)，在碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)倒逼的大背景下，河北省鋼鐵行業(yè)成為節(jié)能減碳的重要領(lǐng)域，同時(shí)也是工業(yè)轉(zhuǎn)型、綠色低碳技術(shù)發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。

1 河北省鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

1.1 河北省鋼鐵行業(yè)各生產(chǎn)工序組成

2019 年，河北省綜合能源消費(fèi)總量在1 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤以上的重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)有413 家，其中鋼鐵企業(yè)149家。按照河北省2019 年的碳核查數(shù)據(jù)，河北省鋼鐵行業(yè)納入碳排放權(quán)交易的重點(diǎn)企業(yè)中獨(dú)立軋鋼企業(yè)約占53%，具體企業(yè)涉及生產(chǎn)工序及占比如表1 所示[3]。

表1 納入碳排放權(quán)交易的鋼鐵企業(yè)不同生產(chǎn)工序及占比

1.2 鋼鐵行業(yè)不同工序組合的企業(yè)碳排放量分布

根據(jù)2019 年碳核查數(shù)據(jù)顯示，河北省鋼鐵行業(yè)的碳排放總量為45 649 萬t CO2-e，由燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼工序組成的企業(yè)碳排放總量最大，約為23 814 萬t CO2-e，占總排放量的52%；由燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼工序組成的企業(yè)，其排放總量為8310萬t CO2-e，占總排放量的18%；6 個(gè)工序均有的企業(yè)，其排放總量為6977 萬t CO2-e，占總排放量的15%。企業(yè)數(shù)量占比最多的獨(dú)立軋鋼企業(yè)，其排放總量為739 萬t CO2-e，僅占總排放量的1.6%[4]。河北省鋼鐵行業(yè)不同工序組合的企業(yè)碳排放量分布如圖2 所示。

圖2 河北省鋼鐵行業(yè)不同工序組合的企業(yè)碳排放量分布

2 河北省鋼鐵行業(yè)碳排放路徑及節(jié)能減排存在的問題

2.1 河北省鋼鐵行業(yè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放

在鋼鐵的生產(chǎn)過程中，所排放的溫室氣體主要是來自以煤為主的能源消耗，涉及CO2、CH4、N2O 等多種溫室氣體，但主要是CO2。鋼鐵生產(chǎn)中的溫室氣體排放源及溫室氣體種類如表2 所示。

表2 鋼鐵生產(chǎn)中的溫室氣體排放源及溫室氣體種類

2.2 河北省鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排存在的問題

（1）鋼鐵生產(chǎn)中長(zhǎng)流程占比高，碳排放總量大。從河北省不同鋼鐵生產(chǎn)工藝來看，含有燒結(jié)的長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝CO2排放量最高，含有球團(tuán)的長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝次之，采用廢鋼電爐短流程工藝CO2排放量最低[5]。長(zhǎng)流程的碳排放量遠(yuǎn)高于短流程，且高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程噸鋼碳排放強(qiáng)度是電爐短流程噸鋼碳排放強(qiáng)度的3.2 倍。

（2）電爐煉鋼普及率低，廢鋼煉鋼技術(shù)有待于提高。2020 年，河北省短流程電爐鋼的比例僅為1.56%，目前河北省大型鋼鐵企業(yè)廢鋼煉鋼的主要設(shè)備為轉(zhuǎn)爐，隨著河北省鋼鐵產(chǎn)能減量置換及城市鋼廠搬遷改造，部分高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程將改為電爐短流程。隨著河北省短流程工藝占比提升，降碳效應(yīng)將有顯著地轉(zhuǎn)變。

（3）工藝結(jié)構(gòu)不合理，需提高能源利用效率。當(dāng)前，在電弧爐短流程煉鋼、高爐大球團(tuán)比冶煉、直接還原和熔融還原煉鐵技術(shù)方面仍有較大提升空間，應(yīng)結(jié)合鋼鐵行業(yè)超低排放改造，持續(xù)提高燒結(jié)煙氣循環(huán)、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電、爐頂余壓發(fā)電、煙氣余熱回收、高爐渣余熱回收、鋼渣余熱回收、一包到底、高爐煤氣熱值提升等節(jié)能技術(shù)，進(jìn)一步降低全行業(yè)能耗，減少行業(yè)碳排放總量。提高余熱發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)化效率，將中低溫余熱回收工藝改進(jìn)為高溫高壓工藝，進(jìn)而提高余能利用率，降低能耗。優(yōu)化燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝中的煙氣來源，提高高溫?zé)煔庋h(huán)比例，進(jìn)一步降低燒結(jié)工序能耗，減少碳排放量。

（4）各企業(yè)綠色低碳發(fā)展水平差異大。河北省是鋼鐵生產(chǎn)大省，但各企業(yè)的綠色低碳發(fā)展水平差異大。既有以河鋼為代表，注重能源管理，產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度行業(yè)先進(jìn)值的企業(yè)，也存在粗放管理，產(chǎn)品能耗大，排放高的企業(yè)。

（5）行業(yè)的節(jié)能低碳技術(shù)創(chuàng)新難。雖然國(guó)家推薦的重點(diǎn)低碳技術(shù)逐漸普及，但河北省針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)自主研發(fā)動(dòng)力不足、創(chuàng)新進(jìn)度慢，國(guó)內(nèi)外的新技術(shù)應(yīng)用存在難度，如氫能煉鋼、氫氣直接還原、熔融電解鐵礦石等新技術(shù)，技術(shù)節(jié)能存在瓶頸。

3 河北省鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)發(fā)展所具備的優(yōu)勢(shì)與路徑

3.1 河北省促進(jìn)鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展所具備的優(yōu)勢(shì)

（1）可再生能源領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭良好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2021 年底，河北省可再生能源并網(wǎng)裝機(jī)容量為5859萬kW·h。光伏發(fā)電裝機(jī)容量和風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量總和可達(dá)5467.6 萬kW·h，居全國(guó)首位，且這兩種可再生能源的裝機(jī)容量在國(guó)內(nèi)均排在第二位。河北省列入國(guó)家整縣屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)縣有37 個(gè)，在數(shù)量上排在全國(guó)第五位。2022 年，響應(yīng)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，河北省安排的新能源項(xiàng)目規(guī)模接近5000 萬kW·h，已經(jīng)超過整個(gè)“十三五”期間的新增裝機(jī)容量總和。此外，河北省政府通盤謀劃，從電力的“發(fā)、輸、儲(chǔ)、用”4 個(gè)環(huán)節(jié)提出具體舉措，明確“十四五”各年節(jié)點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)，以保證到2025 年河北省的可再生能源裝機(jī)容量能夠?qū)崿F(xiàn)“倍增”，總規(guī)模達(dá)到11 400 萬kW·h 以上，完成投資超過3300 億元。

（2）河北省鋼鐵碳捕獲、利用與封存（carbon capture, utilization and storage, CCUS）技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?。河北省目前已?jīng)在鋼鐵行業(yè)開展了CCUS 技術(shù)的可行性研究和建設(shè)，具體如表3 所示。

表3 河北省部分企業(yè)采用的CCUS 技術(shù)

其中首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司和德龍鋼鐵有限公司被列為河北省第一批二氧化碳捕集利用封存試點(diǎn)項(xiàng)目。根據(jù)國(guó)際能源署的預(yù)測(cè)，全球依靠CCUS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳封存的規(guī)模將在2050 年達(dá)到76 億t，約占2020 年全球碳排放總量的22.4%。河北省2050 年實(shí)現(xiàn)碳封存的規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際水平，其CCUS 技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

（3）發(fā)展氫能具有優(yōu)勢(shì)。在氫能領(lǐng)域，河北省的發(fā)展領(lǐng)先勢(shì)頭良好。全省累計(jì)建成5 個(gè)可再生能源制氫項(xiàng)目，建成15 座加氫站，投運(yùn)334 輛氫燃料電池公交車。國(guó)內(nèi)首條百輛級(jí)別氫能重卡運(yùn)輸線在保定市正式市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)，已形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，年產(chǎn)值可達(dá)100 億元。特別值得一提的是，在北京冬奧會(huì)期間，張家口市日產(chǎn)17 t 的綠氫制氫能力，滿足了710輛氫燃料電池汽車的用氫需求。到“十四五”末，可培育10～15 家在國(guó)內(nèi)氫能領(lǐng)域領(lǐng)先的企業(yè)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到500 億元。

3.2 河北省鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)發(fā)展的路徑

根據(jù)河北省鋼鐵行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合河北省在綠色電力和氫能領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，本文提出河北省鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)發(fā)展的路徑如下。

（1）優(yōu)化工藝生產(chǎn)流程，以減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的直接碳排放，由高爐-轉(zhuǎn)爐法轉(zhuǎn)向電爐冶煉法。

使用電爐冶煉法可以顯著降低煉鋼過程的CO2排放量，目前河北省電爐冶煉法產(chǎn)量占比有很大的提升空間，因此可以通過將鋼廠現(xiàn)有的大量高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線轉(zhuǎn)為電爐生產(chǎn)線來實(shí)現(xiàn)減碳。工業(yè)和信息化部在2020 年12 月31 日發(fā)布的《關(guān)于推動(dòng)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，要求我國(guó)到2025 年電爐鋼產(chǎn)量比例提升至15%以上，力爭(zhēng)達(dá)到20%。

（2）在冶煉過程中使用可再生能源。為了減少電網(wǎng)耗電量導(dǎo)致的CO2排放，河北省鋼鐵企業(yè)可利用工廠廠房屋頂、車棚等鋪設(shè)光伏板，或在適宜的空地投建風(fēng)機(jī)以提高自發(fā)電比例；也可以利用省內(nèi)自有的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電優(yōu)勢(shì)降低碳排放。在煉鋼過程中使用可再生的氫能逐步替代傳統(tǒng)化石能源。

（3）提升生產(chǎn)配套設(shè)施綠色水平。鋼鐵生產(chǎn)是復(fù)雜的系統(tǒng)過程，其中既涉及鋼的冶煉，也涉及物流運(yùn)輸、庫(kù)存管理等配套服務(wù)。因此要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的同時(shí)也要提升鋼鐵生產(chǎn)配套設(shè)施的綠色水平。

（4）針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)特點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)用CCUS 技術(shù)。通過CCUS 技術(shù)可以將生產(chǎn)過程中排放的CO2進(jìn)行提純，繼而投入新的生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。鋼鐵行業(yè)在實(shí)現(xiàn)碳中和的過程中如果完全消除對(duì)化石能源的消耗，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度很大，而且在經(jīng)濟(jì)上也會(huì)極大地增加鋼鐵生產(chǎn)成本。因此保留一定程度的化石能源使用可能是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)最現(xiàn)實(shí)的情景。在這種情景下，鋼鐵行業(yè)就需要使用CCUS 技術(shù)對(duì)這部分碳排放進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

根據(jù)2022 年1 月河北省政府出臺(tái)的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念認(rèn)真做好碳達(dá)峰碳中和工作的實(shí)施意見》，結(jié)合河北省在綠色電力、氫能和CCUS 領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，本文提出河北省鋼鐵行業(yè)綠色低碳技術(shù)發(fā)展的路徑：①?gòu)U鋼電爐短流程煉鋼。廢鋼電爐短流程煉鋼屬于資源的再生循環(huán)利用，可以大幅度減少化石能源消耗和CO2排放。②充分發(fā)揮河北省在可再生能源領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，然后電解水制備氫氣，用氫氣還原鐵礦石，從根本上杜絕CO2排放。③推動(dòng)鋼鐵行業(yè)全生命周期的綠色低碳發(fā)展。選用低碳原材料，在物流運(yùn)輸和產(chǎn)品庫(kù)存管理等環(huán)節(jié)采用低碳技術(shù)，全面推動(dòng)鋼鐵生產(chǎn)全生命周期的綠色低碳發(fā)展。④大力發(fā)展CO2捕集與碳循環(huán)鋼化聯(lián)產(chǎn)碳負(fù)排技術(shù)，進(jìn)一步深度脫碳。將鋼鐵生產(chǎn)過程中排放的CO2進(jìn)行提純，繼而投入新的生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和提供保障。